專利名稱：在球面面形干涉檢測(cè)中旋轉(zhuǎn)誤差控制裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)元件的干涉測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種在球面面形干涉檢測(cè)中旋轉(zhuǎn)誤差控制裝置及其方法。
背景技術(shù)：
隨著光學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)球面面形的檢測(cè)精度需求也越來(lái)越高。球面干涉檢測(cè)技術(shù)可以快速實(shí)現(xiàn)球面光學(xué)元件高精度的檢測(cè)，為此球面面形的干涉檢測(cè)技術(shù)被不斷改進(jìn)并得到廣泛應(yīng)用。1973年Jensen提出了一種適合于實(shí)時(shí)干涉儀的絕對(duì)校準(zhǔn)方法，既基于菲索干涉系統(tǒng)的三步檢測(cè)法第一步檢測(cè)貓眼位置；第二步檢測(cè)0度位置；第三步檢測(cè) 180度位置。該方法可以去除參考鏡的誤差和干涉儀的附加波像差，從而提高了被檢面的檢測(cè)精度，在這種方法中需要三次獨(dú)立的測(cè)量，最終得到被檢面面形。該方法有實(shí)時(shí)性高， 精度高等特點(diǎn)一直以來(lái)便是球面面形絕對(duì)檢測(cè)的一種主要方法。在實(shí)際檢測(cè)中，由于檢測(cè)裝置機(jī)構(gòu)的裝調(diào)誤差以及加工工藝，很難控制球面面形干涉絕對(duì)檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)誤差，即相對(duì)于0度檢測(cè)位置來(lái)說(shuō)，180度檢測(cè)位置處的被檢面繞光軸旋轉(zhuǎn)180度誤差大，影響了球面面形檢測(cè)的精度。但隨著球面光學(xué)元件的高精度檢測(cè)要求的提高，球面面形干涉檢測(cè)中旋轉(zhuǎn)誤差限制了球面高精度檢測(cè)的發(fā)展，目前尚無(wú)合適的在球面面形檢測(cè)中控制旋轉(zhuǎn)誤差的裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述問(wèn)題，提供一種在球面面形干涉檢測(cè)中旋轉(zhuǎn)誤差控制裝置及其方法。在球面面形干涉檢測(cè)中旋轉(zhuǎn)誤差控制裝置包括自準(zhǔn)直儀和六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的被檢面裝置，自準(zhǔn)直儀包括光源、會(huì)聚透鏡、第一分劃板、半透半反鏡、第二分劃板、目鏡、物鏡；在同一光軸上順次設(shè)有目鏡、第二分劃板、半透半反鏡、物鏡、六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的被檢面裝置；半透半反鏡上方順次設(shè)有第一分劃板、會(huì)聚透鏡、光源；六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的被檢面裝置包括X軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、控制二維傾斜平臺(tái)、U型旋轉(zhuǎn)臺(tái)、導(dǎo)軌和平行平板；導(dǎo)軌上從下到上依次設(shè)有X軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、控制二維傾斜平臺(tái)、U型旋轉(zhuǎn)臺(tái)和平行平板；控制二維傾斜平臺(tái)側(cè)面設(shè)有U型旋轉(zhuǎn)臺(tái)；U型旋轉(zhuǎn)臺(tái)上設(shè)有平行平板。所述的平行平板材料是前后兩面的偏角為e的平板玻璃。在球面面形干涉檢測(cè)中旋轉(zhuǎn)誤差控制方法是光源的發(fā)散光經(jīng)會(huì)聚透鏡成像聚焦于第一分劃板，再經(jīng)半透半反鏡反射到物鏡產(chǎn)生平行光，入射至平行平板，若平行平板與平行光垂直，反射光沿原路返回，再經(jīng)物鏡聚焦于第二分劃板，第二分劃板上有刻度，調(diào)節(jié)平行平板與自準(zhǔn)直儀的相對(duì)位置，在目鏡后觀察聚焦十字線在第二分劃板中的位置，若被檢面裝置上的旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度有偏差，入射平行光與平行平板的表面不垂直，在目鏡后觀察到十字線與第二分劃板的中心刻度不重合，接下來(lái)，U型旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，使用平行平板的另一個(gè)表面來(lái)反射從自準(zhǔn)直儀出射的平行光，直到旋轉(zhuǎn)至觀察到十字線的中心與第二分劃板的中心重合；六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的被檢面裝置實(shí)現(xiàn)六維自由度運(yùn)動(dòng)，分別是光軸方向的移動(dòng)
ζ，垂軸方向的移動(dòng)χ，y ；繞χ軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)、繞y軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)一繞光軸ζ方向的轉(zhuǎn)動(dòng)芑，其中ζ方向的自由度控制被檢面軸向運(yùn)動(dòng)，x、y方向的自由度控制被檢面與參考面共光軸，繞χ軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)代、繞y軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)兮的自由度控制被檢面的姿態(tài)，繞光軸ζ方向
的轉(zhuǎn)動(dòng)一的自由度控制180度位置的被檢面相對(duì)于0度位置繞光軸自身旋轉(zhuǎn)180度。本發(fā)明的被檢面裝置能實(shí)現(xiàn)被檢面六維自由度運(yùn)動(dòng)，在實(shí)際檢測(cè)中，可大大降低由于被檢面位置誤差和姿態(tài)誤差對(duì)最終檢測(cè)結(jié)果的影響。本發(fā)明基于可實(shí)現(xiàn)六維自由運(yùn)動(dòng)的被檢面裝置，在球面檢測(cè)中實(shí)現(xiàn)高旋轉(zhuǎn)精度，使得旋轉(zhuǎn)誤差最小化，提高了測(cè)量精度，對(duì)于高精度的球面檢測(cè)具有應(yīng)用價(jià)值。旋轉(zhuǎn)控制精度主要取決于旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)轉(zhuǎn)軸精度、自準(zhǔn)直儀讀數(shù)精度、平行玻璃平鏡前后表面的精度。轉(zhuǎn)軸精度是由機(jī)構(gòu)中本身旋轉(zhuǎn)臺(tái)決定，本發(fā)明使用的自準(zhǔn)直儀可實(shí)現(xiàn)1’’的讀數(shù)精度，由于加工工藝的限制，平行平板前后兩表面不能理想平行，平行平板的加工工藝可以控制到5’’的平行度。


圖1為在球面面形干涉檢測(cè)中旋轉(zhuǎn)誤差控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的擁有六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的被檢面裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中，光源1、會(huì)聚透鏡2、第一分劃板3、半透半反鏡4、第二分劃板5、目鏡6、物鏡7、六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的被檢面裝置8、X軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9、Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)10、Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11、控制二維傾斜平臺(tái)12、U型旋轉(zhuǎn)臺(tái)13、導(dǎo)軌14、平行平板15、自準(zhǔn)直儀16。
具體實(shí)施例方式如圖1、2所示，在球面面形干涉檢測(cè)中旋轉(zhuǎn)誤差控制裝置包括自準(zhǔn)直儀17和六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的被檢面裝置8，自準(zhǔn)直儀包括光源1、會(huì)聚透鏡2、第一分劃板3、半透半反鏡4、 第二分劃板5、目鏡6、物鏡7 ；在同一光軸上順次設(shè)有目鏡6、第二分劃板5、半透半反鏡4、 物鏡7、六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的被檢面裝置8 ；半透半反鏡4上方順次設(shè)有第一分劃板3、會(huì)聚透鏡2、光源1 ；六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的被檢面裝置8包括X軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9、Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)10、Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11、控制二維傾斜平臺(tái)12、U型旋轉(zhuǎn)臺(tái)13、導(dǎo)軌14和平行平板15 ；導(dǎo)軌14上從下到上依次設(shè)有X軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)9、Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)10、Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)11、控制二維傾斜平臺(tái)12、U 型旋轉(zhuǎn)臺(tái)13和平行平板15 ；控制二維傾斜平臺(tái)12側(cè)面設(shè)有U型旋轉(zhuǎn)臺(tái)13 ；U型旋轉(zhuǎn)臺(tái)13 上設(shè)有平行平板15。所述的平行平板15材料是前后兩面的偏角力的平板玻璃。在球面面形干涉檢測(cè)中旋轉(zhuǎn)誤差控制方法是光源1的發(fā)散光經(jīng)會(huì)聚透鏡2成像聚焦于第一分劃板3，再經(jīng)半透半反鏡4反射到物鏡7產(chǎn)生平行光，入射至平行平板15，若平行平板15與平行光垂直，反射光沿原路返回，再經(jīng)物鏡7聚焦于第二分劃板5，第二分劃板5上有刻度，調(diào)節(jié)平行平板15與自準(zhǔn)直儀的相對(duì)位置，在目鏡6后觀察聚焦十字線在第二分劃板5中的位置，若被檢面裝置8上的旋轉(zhuǎn)臺(tái)13的旋轉(zhuǎn)角度有偏差，入射平行光與平行平板15的表面不垂直，在目鏡后觀察到十字線與第二分劃板的中心刻度不重合，接下來(lái)，U型旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)臺(tái)13，使用平行平板15的另一個(gè)表面來(lái)反射從自準(zhǔn)直儀出射的平行光， 直到旋轉(zhuǎn)至觀察到十字線的中心與第二分劃板的中心重合；六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的被檢面裝置 8實(shí)現(xiàn)六維自由度運(yùn)動(dòng)，分別是光軸方向的移動(dòng)ζ，垂軸方向的移動(dòng)x，y ；繞χ軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)
乓、繞y軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)巧.，繞光軸ζ方向的轉(zhuǎn)動(dòng)一其中ζ方向的自由度控制被檢面軸向運(yùn)
動(dòng)，χ、y方向的自由度控制被檢面與參考面共光軸，繞χ軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)^、繞ι軸方向的轉(zhuǎn)
動(dòng)《的自由度控制被檢面的姿態(tài)，繞光軸ζ方向的轉(zhuǎn)動(dòng)一的自由度控制180度位置的被檢面相對(duì)于0度位置繞光軸自身旋轉(zhuǎn)180度。結(jié)合Zygo數(shù)字波面干涉儀，使用F/0. 65的參考鏡，檢測(cè)F/0. 68的被檢鏡，在球面面形干涉檢測(cè)中旋轉(zhuǎn)誤差控制裝置的使用方法如下
1)將被檢面裝置、自準(zhǔn)直儀安置在Zygo數(shù)字波面干涉儀前適當(dāng)位置，安裝參考鏡和被檢鏡。2)移動(dòng)被檢面裝置，使得待測(cè)鏡頭和參考鏡頭共焦，判斷共焦的標(biāo)準(zhǔn)仍是從被檢鏡頭反射和參考鏡頭反射后的兩個(gè)亮點(diǎn)重合在十字線的中心位置；將自準(zhǔn)直儀安裝在適當(dāng)位置，轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，對(duì)待測(cè)鏡頭進(jìn)行0度位置檢測(cè)使得在自準(zhǔn)直儀中分劃板的中心能看到平板玻璃反射回來(lái)的十字線。調(diào)節(jié)被檢鏡直到Zygo數(shù)字波面干涉儀顯示器上的干涉圖上的條紋數(shù)最小，同時(shí)保證在自準(zhǔn)直儀中分劃板的中心能看到平板玻璃反射回來(lái)的十字線。 配合Zygo數(shù)字波面干涉儀軟件系統(tǒng)進(jìn)行多次測(cè)量，記錄數(shù)據(jù)。3)將旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)180度，對(duì)待測(cè)鏡頭進(jìn)行180度位置檢測(cè)，判斷依據(jù)為由于平行平板也同樣旋轉(zhuǎn)180度，在自準(zhǔn)直儀中分劃板的中心能看到平板玻璃反射回來(lái)的十字線。 調(diào)節(jié)被檢鏡直到Zygo數(shù)字波面干涉儀顯示器上的干涉圖上的條紋數(shù)最小，同時(shí)保證在自準(zhǔn)直儀中分劃板的中心能看到平板玻璃反射回來(lái)的十字線。配合Zygo數(shù)字波面干涉儀軟件系統(tǒng)進(jìn)行多次測(cè)量，記錄數(shù)據(jù)。4)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所得結(jié)果如表1所示。表1利用旋轉(zhuǎn)誤差控制裝置測(cè)得被檢面的PV值和RMS值
權(quán)利要求
1.一種在球面面形干涉檢測(cè)中旋轉(zhuǎn)誤差控制裝置，其特征在于包括自準(zhǔn)直儀(16)和六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的被檢面裝置⑶，自準(zhǔn)直儀包括光源⑴、會(huì)聚透鏡⑵、第一分劃板⑶、 半透半反鏡G)、第二分劃板(5)、目鏡(6)、物鏡(7)；在同一光軸上順次設(shè)有目鏡(6)、第二分劃板(5)、半透半反鏡、物鏡(7)、六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的被檢面裝置(8)；半透半反鏡 ⑷上方順次設(shè)有第一分劃板(3)、會(huì)聚透鏡O)、光源⑴；六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的被檢面裝置 ⑶包括X軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(9)、Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(10)、Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(11)、控制二維傾斜平臺(tái)(12)、 U型旋轉(zhuǎn)臺(tái)(13)、導(dǎo)軌(14)和平行平板(1 ；導(dǎo)軌(14)上從下到上依次設(shè)有X軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(9)、Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(10)、Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(11)、控制二維傾斜平臺(tái)(12)、U型旋轉(zhuǎn)臺(tái)(13) 和平行平板(1 ；控制二維傾斜平臺(tái)(1 側(cè)面設(shè)有U型旋轉(zhuǎn)臺(tái)(1 ；U型旋轉(zhuǎn)臺(tái)(13)上設(shè)有平行平板(15)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在球面面形干涉檢測(cè)中旋轉(zhuǎn)誤差控制裝置，其特征在于所述的平行平板(15)材料是前后兩面的偏角為芒的平板玻璃。
3.一種使用如權(quán)利要求1所述裝置的在球面面形干涉檢測(cè)中旋轉(zhuǎn)誤差控制方法，其特征在于光源(1)的發(fā)散光經(jīng)會(huì)聚透鏡( 成像聚焦于第一分劃板(3)，再經(jīng)半透半反鏡(4) 反射到物鏡(7)產(chǎn)生平行光，入射至平行平板(15)，若平行平板(1 與平行光垂直，反射光沿原路返回，再經(jīng)物鏡(7)聚焦于第二分劃板(5)，第二分劃板( 上有刻度，調(diào)節(jié)平行平板(1 與自準(zhǔn)直儀的相對(duì)位置，在目鏡(6)后觀察聚焦十字線在第二分劃板( 中的位置，若被檢面裝置⑶上的旋轉(zhuǎn)臺(tái)(13)的旋轉(zhuǎn)角度有偏差，入射平行光與平行平板(15)的表面不垂直，在目鏡后觀察到十字線與第二分劃板的中心刻度不重合，接下來(lái)，U型旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(13)，使用平行平板(1 的另一個(gè)表面來(lái)反射從自準(zhǔn)直儀出射的平行光，直到旋轉(zhuǎn)至觀察到十字線的中心與第二分劃板的中心重合；六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的被檢面裝置(8)實(shí)現(xiàn)六維自由度運(yùn)動(dòng)，分別是光軸方向的移動(dòng)ζ，垂軸方向的移動(dòng)X，y ；繞χ軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)H軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)代，繞光軸ζ方向的轉(zhuǎn)動(dòng)^其中ζ方向的自由度控制被檢面軸向運(yùn)動(dòng)X y方向的自由度控制被檢面與參考面共光軸，繞χ軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)P、繞y軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)4的自由度控制被檢面的姿態(tài)，繞光軸ζ方向的轉(zhuǎn)動(dòng)4的自由度控制180度位置的被檢面相對(duì)于0度位置繞光軸自身旋轉(zhuǎn)180度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在球面面形干涉檢測(cè)中旋轉(zhuǎn)誤差控制裝置及其方法。
包括自準(zhǔn)直儀和六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的被檢面裝置在同一光軸上順次設(shè)有目鏡、第二分劃板、半透半反鏡、物鏡、六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的被檢面裝置；半透半反鏡上方順次設(shè)有第一分劃板、會(huì)聚透鏡、光源；導(dǎo)軌上從下到上依次設(shè)有X軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、Y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、控制二維傾斜平臺(tái)、U型旋轉(zhuǎn)臺(tái)和平行平板；控制二維傾斜平臺(tái)側(cè)面設(shè)有U型旋轉(zhuǎn)臺(tái)；U型旋轉(zhuǎn)臺(tái)上設(shè)有平行平板。本發(fā)明克服了球面檢測(cè)由于機(jī)構(gòu)的裝調(diào)誤差而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)誤差難以控制的技術(shù)問(wèn)題，對(duì)高質(zhì)量光學(xué)元件的檢測(cè)與加工具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01B11/24GK102305596SQ20111010647
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月27日
發(fā)明者侯溪, 劉勇, 沈亦兵 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所, 浙江大學(xué)